Технические науки./ Отраслевое машиностроение.

Голотюк М.В.

Національний університет водного господарства та природокористування.

Закономірності поширення тріщин при руйнуванні шару льоду на дорожньому покритті.

Проблема очищення покриттів автомобільних доріг від ущільненого снігу і льоду стоїть перед працівниками дорожнього господарства давно, однак в даний час вона має першочергове значення при зимовому утриманні автомобільних доріг через зростаючу інтенсивність руху транспортних засобів.

Аналіз сучасних перспектив розвитку льодосколюючих машин показує, що прогрес в даній галузі рухається в напрямку збільшення швидкостей впливу їх робочих органів на середовище руйнування.

Льодове покриття відноситься до крихких матеріалів, їх руйнування розглядається з позицій механізму накопичення пошкоджень і розповсюдження тріщин в результаті збільшення пружної енергії. Процес руйнування складається з двох послідовно протікаючих стадій: зародження і зростання тріщини. Для початку руйнування необхідна набагато більша напруга, чим для його розповсюдження. Інакше кажучи, існує номінальна напруга (бар'єр почала руйнування), яку слід подолати, щоб руйнування почалося. При статичному зародженні тріщини цей бар'єр явно виражений, при динамічному навантаженні з високою швидкістю - легко переборний і не має явного виразу.

В практиці частіше всього зустрічаються ділянки дороги, міцність льоду на яких значна. Складність руйнування льоду на таких ділянках багато в чому пов’язана з необхідністю збільшення енергії впливу. В зв’язку з цим необхідно проаналізувати кінетику руйнування дорожнього льоду різними динамічними робочими органами. При цьому необхідно звернути особливу увагу руйнуванню приграничного з асфальтобетоном шару льоду, тобто впливу динамічного навантаження від робочого органа на руйнування приграничного шару. Зупинимося детальніше на аналізі процесу руйнування льоду клинковим робочим органом.

У випадку якщо міцність приграничного шару більше міцності поверхневого льоду, то сколювання відбудеться в просторі верхнього льоду, причому лідируюча тріщина, що утворилася, пройде від кромки різця до вільної поверхні льоду по лінії рівних дотичних напружень. При цьому тріщина рухається зі швидкістю поширення звуку в середовищі, яке руйнується, проходить по шляху найменшого опору, перетинаючи вільну поверхню льоду під прямим кутом.

При роботі льодосколюючої машини, оснащеної активним робочим органом [1], при дії частоударного навантаження міцність льоду, що знаходить під різцем, дещо знижується.

Це обумовлено тим, що на міцність льоду, окрім його хімічного складу і температури як відомо [3] суттєво впливає нерівномірність напруженого стану, викликаного неоднорідністю фізико-механічних властивостей і структурними особливостями льоду в різних частинах об’єму. Наявність мікротріщин, пор, порожнин, сторонніх добавок, незамерзлої води, розчинів солей та інших концентратів, а також степінь їх розподілу, з однієї сторони, і наявність кінцевих деформацій внаслідок неповної релаксації напружень - з другої сторони, знижують міцність льоду в цілому.

Навантаження, яке часто повторюється і є навіть набагато менше за необхідне для руйнування, викликає появу в шарі льоду під ріжучою кромкою безліч нових мікротріщин і сприяє розвитку існуючих, навколо яких концентруються внутрішні напруження. Все це веде до зменшення міцності льоду під лезом. Але це зниження міцності недостатнє для повного руйнування приграничного шару, так як зниження зміцнення відбувається безпосередньо під лезом, а не по межі змерзання з асфальтобетоном.

Руйнування приграничного шару льоду пов’язано з взаємозв’язком ядра ущільнення з поверхнею асфальтобетону. Дослідження цього етапу взаємодії можна пояснити, що поширення тріщин і руйнування в цій зоні буде відбуватися наступним чином. В момент досягнення ядром ущільнення найбільш міцного, приграничного, льоду відбудеться останнє сколювання бокових призм по поверхні сколювання СD, C'D' (рис.1).

Рис.1. Схема взаємодії робочого органу з шаром льоду: 1 - ядро ущільнення конусного типу; 2, 2' - зона кінцевих деформацій; 3, 3' - призми льоду, які виколюються в шарі змерзання.

Дане сколювання викликане розширенням ядра ущільнення 1 внаслідок зміни його форми. При впливі вершини ядра на межі розділення з матеріалом модуль пружності якого значно більше, ніж льоду, відбудеться деформування ядра, при цьому поперечні розміри його збільшаться, а висота зменшиться. Ядро набуває форму конуса. Кут нахилу утворюючих конуса зв’язаний з кутом сколювання льоду і може бути визначений за відомою формулою Снєлліуса [2].

При цьому об’єм ядра, можливо, лишиться незмінним, а основа конуса розміститься по поверхні змерзання. Взаємодія ядра з поверхнею змерзання приводить до подальшого збільшення його щільності. Таким чином, значне підвищення щільності ядра в сукупності з великою міцністю приграничного шару льоду ще більше утруднює подальше занурення інструменту робочого органу в лід. У випадку, якщо енергія руйнування недостатня то лезо інструменту зупиниться в безпосередній близькості (1-3 мм) від поверхні асфальтобетону, лишаючи приграничний лід (рис.1.) [4]. У випадку, коли інструмент закріплено нерухомо і енергії достатньо для руйнування, то він пробиває ядро ущільнення упритул до поверхні асфальтобетону. При цьому можливе його пошкодження, або пошкодження робочого органу. Таким чином, приграничний шар льоду руйнується не до кінця і якість очистки при цьому низька.

Наявність додаткової вільної поверхні - лобового забою обумовлює зміни напрямку поширення тріщини, це викликано створенням концентрацій напружень [5], а також дією комплексу додаткових навантажень (наприклад, згинаюча дія від клину або розпір від ядра ущільнення), що визначають в кінцевому результаті якість очистки. В даному випадку переважають ті чинники визначаючих відхилення тріщини від початкового напрямку, перпендикулярного поверхні змерзання. В результаті чого відбувається різкий поворот в напрямку паралельному поверхні змерзання, поверсі приграничного шару льоду. Сколюючі органи даного типу володіють гарною копіювальною здатністю, а при використанні клинів з малими кутами загострення проявляється можливість руйнування і приграничного шару льоду.

Подальше удосконалення сучасної техніки, для сколювання льоду повинне бути направлене на підвищення ефективності очищання дорожнього покриття, при незмінних умовах, що робоче обладнання створено на основі пошуку найбільш ефективного режиму руйнування льоду.

Література: 1.Гусев Л.М. Борьба со скользкостью городских дорог. - М.: Стройиздат, 1964. - 102с. 2.Ионов В.Н., Селиванов В.В. Динамика разрушения деформируемого тела. – М.: Машиностроение, 1987. - 272с. 3.Петрашень Г.И. Волны в слоистых изотропных упругих средах. Л.: 1982, 289с. 4.Сейсов В.М. Динамические контактные задачи. Киев: Наукова думка, 1976, 384с. 5.Черепанов Г.Л. Ершов Л.В. Механика разрушения. М.: Машиностроение, 1977. 224с.